“3S”技術及其在土地資源管理中的應用

王 輝 李 艷 劉 剛

摘要介紹了“3S”技術及其原理,概述了“3S”技術在土地資源調查、土地利用變更調查、土地利用規(guī)劃以及土地利用數(shù)據(jù)庫建設中的應用,指出了“3S”技術在土地管理方向的發(fā)展趨勢。

關鍵詞“3S”技術;土地資源管理;應用;發(fā)展趨勢

中圖分類號 F301.23;TP79 文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2009)21-0257-03

土地資源管理是一項非常龐大的工作,有海量的信息需要綜合處理和考慮,而傳統(tǒng)的資源信息獲取能力有限,管理體制落后,管理能力低下,不能及時、準確、全面地了解資源狀況信息,傳統(tǒng)的管理模式已不能適應當前形勢的發(fā)展,急需一種新的技術手段來滿足現(xiàn)代土地資源管理工作的需要。遙感技術作為一門高新技術,自20世紀70年代初以來,由于其具有大面積的同步觀測、時效性、綜合性與可比性、經濟性等特點,數(shù)據(jù)具有良好的現(xiàn)勢性和動態(tài)性,在土地利用的現(xiàn)狀調查和動態(tài)監(jiān)測中具有無可替代的優(yōu)勢,因而得到了極大的發(fā)展。而且自“Land-sat”計劃實施以來,土地資源調查、制圖與管理及動態(tài)監(jiān)測一直是遙感技術應用規(guī)模最大的領域之一。近年來,隨著遙感數(shù)據(jù)分辨率的提高以及GIS、GPS 的應用,遙感數(shù)據(jù)在土地資源管理中的應用效果大大提高,可以滿足現(xiàn)代化土地資源管理的需要,可以大大提高土地資源管理的科技水平,“3S”技術在土地資源管理中擁有廣闊的前景。

1“3S”技術概述

“3S”技術是指遙感技術(Remote Sensing,RS)、地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)和全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)的統(tǒng)稱,是將空間技術、傳感器技術、衛(wèi)星定位與導航技術和計算機技術、通訊技術相結合,多學科高度集成的對空間信息進行采集、處理、管理、分析、表達、傳播和應用的現(xiàn)代信息技術。

1.1遙感技術(RS)

遙感(RS),通常是指通過某種傳感器裝置,在不與研究對象直接接觸的情況下,獲得其特征信息,并對這些信息進行提取、加工、表達和應用的一門科學技術。遙感技術是20世紀60年代才開始興起的一門新興綜合性探測技術,是在不直接接觸的情況下,對目標物或自然現(xiàn)象遠距離的感知,具有宏觀、綜合、動態(tài)、快速的特點。遙感技術已成為一種影像遙感和數(shù)字遙感相結合的先進、實用的綜合性探測手段,被廣泛應用于農業(yè)、林業(yè)、地質、地理、海洋、水文、氣象、環(huán)境監(jiān)測、地球資源勘探及軍事偵察等各個領域[1]。

1.2地理信息系統(tǒng)技術(GIS)

地理信息系統(tǒng)(GIS)是一種由硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶組成的,以研究地理或地學數(shù)據(jù)的數(shù)字化或圖形化采集、存儲、管理、描述、檢索、分析和應用與空間位置有關的相應屬性信息的計算機支持系統(tǒng),是集計算機學、地理學、測繪遙感學、環(huán)境科學、空間科學、信息科學、管理科學和現(xiàn)代通訊技術為一體的一門新興邊緣學科[2]。一個典型的地理信息系統(tǒng)應包括4個基本部分:計算機硬件系統(tǒng)、計算機軟件系統(tǒng)、地理空間數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)應用管理人員。計算機軟硬件系統(tǒng)是地理信息系統(tǒng)的基本核心;空間數(shù)據(jù)庫則是基礎;管理應用人員是地理信息系統(tǒng)應用成功的關鍵。

1.3全球定位技術(GPS)

全球定位系統(tǒng)(GPS),是建立在無線電定位系統(tǒng)基礎之上的空間導航系統(tǒng),由空間衛(wèi)星、地面控制站、用戶設備三部分組成,利用衛(wèi)星信號來準確測定待定點的位置。全球定位系統(tǒng)主要用于實時、快速地提供目標的空間位置,為所獲取的空間及屬性信息提供準時或準實時的空間定位及地面高程模式。全球定位系統(tǒng)是20世紀70年代由美國國防部批準,海、陸、空三軍聯(lián)合研制的具有在全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。目前,除了美國的全球定位系統(tǒng)之外,具有GPS同類功能的衛(wèi)星系統(tǒng)還有俄羅斯的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng),以及正在發(fā)展中的歐洲導航衛(wèi)星系統(tǒng)和日本多功能衛(wèi)星增強系統(tǒng),因此全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)僅是具有這些功能系統(tǒng)的代名詞[3]。GPS具有性能好、全天候、高精度、自動化等顯著特點,在地質測量、環(huán)境監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、地震監(jiān)測等方面得到廣泛應用。

1.4“3S”技術結合

由于RS、GIS、GPS都以地球為研究對象,研究的手段和方法相似,能夠相互補充和完善。全球定位系統(tǒng)的組合技術系統(tǒng)為遙感對地觀測信息提供了準實時或實時的定位信息和地面高程模型;遙感對地觀測的海量波譜信息為目標識別及科學規(guī)律的探測提供了定性或定量數(shù)據(jù);“3S”的集成將使GIS具有獲取準確、快速定位的現(xiàn)勢遙感信息的能力,實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的快速更新和在分析決策模型支持下,快速完成多維、多元復合分析。因此,“3S”的集成技術將最終建成新型的地三維信息和地理編碼影像的實時或準實時獲取與處理系統(tǒng),形成快速、高精度的信息處理流程。

2“3S”在土地資源管理中的應用

2.1“3S”技術在土地資源調查中的應用

土地是人類賴以生存的物質基礎,準確掌握土地利用狀況,不僅可為土地管理部門制訂土地利用總體規(guī)劃、合理利用和開發(fā)土地資源提供可靠依據(jù),同時也為各級政府部門在制訂計劃和區(qū)劃時提供準確的參考基礎。傳統(tǒng)的土地資源調查是建立在手工操作基礎上,不僅速度慢,工期長,耗費人力物力,而且精度低,工序繁瑣,成果的可復制性和變更性差,難以滿足現(xiàn)代社會對土地信息的迫切要求。衛(wèi)星遙感技術的出現(xiàn),為土地利用調查提供了全新的數(shù)據(jù)源,特別是近年來高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)開始進入民用遙感應用領域,為縣級土地利用調查(土地詳查)以及繪制1∶10 000 甚至更大比例尺的土地利用圖提供了便捷、高精度的土地利用信息;GPS可以實現(xiàn)精確地定位,特別是GPS/RTK差分測量技術的應用可以完全解決高精度、大比例尺土地利用調查制圖的要求;利用GIS強大的空間分析、統(tǒng)計功能以及可視化制圖功能為土地資源的統(tǒng)計、大比例尺土地利用圖的制作提供了強有力的工具,為土地資源評價、土地等級劃分提供方便、高效、智能的方法?？傊?以高分辨率遙感影像為基礎,基于3S技術,結合地面典型調查的土地資源調查具有客觀、快速、省時、省力等優(yōu)點,是土地監(jiān)測和管理走向現(xiàn)代化、科學化的發(fā)展趨勢。

桂德竹等對“3S”集成技術在精準土地調查中的應用原理和流程進行了探討,并對應用中出現(xiàn)的坐標系統(tǒng)轉換和精度偏移等問題進行了研究[4];肖洪等以高分辨率的Quick Bird影像為基礎,以貴州省望謨縣局部土地利用調查為例應用3S技術進行了縣級土地利用調查的實踐,得出了較好的結果[5]。徐鵬煒等以TM影像為基礎,應用GIS 提供的空間分析功能,對紹興縣土地利用的空間分布進行了定量的描述和分析,實現(xiàn)了快速、動態(tài)地了解和掌握土地資源的變化情況,為當?shù)卣M行土地資源的管理提供了科學的決策依據(jù)[6]。這些實踐活動表明:基于3S的土地資源調查是可行的,而且與傳統(tǒng)土地資源調查方法相比具有極大的優(yōu)勢,是土地利用和土地資源調查方式的新方向。

2.2“3S”技術在土地利用變更和動態(tài)監(jiān)測中的應用

土地利用變更調查是我國國土資源管理的基礎性工作之一。一方面,它保持了土地利用調查成果的現(xiàn)勢性,滿足土地利用數(shù)據(jù)庫建設、土地利用規(guī)劃工作的需要;另一方面,它也是土地主管部門制定土地利用政策及對土地利用現(xiàn)狀進行監(jiān)測的依據(jù)。土地利用變更調查是一個極其復雜的龐大工作,常規(guī)的土地變更調查方法,獲取數(shù)據(jù)周期長、精度低,如何準確、及時地反映出土地利用的變化是國土資源管理的一個難題?！?S”集成技術不僅使得GIS能準確獲取、快速定位空間信息,隨著GIS與RS的結合日趨緊密,GIS的數(shù)據(jù)可以海量增加,而且利用GPS的精密定位功能,可以在野外對解譯結果進行驗證、更新,從而提高遙感解譯的精度和可靠性?；?S的土地利用變更調查主要流程如下:遙感影像的校正、增強、配準融合——建立遙感解譯標志——制作土地利用現(xiàn)狀圖——與原始土地利用圖進行比較,獲取變化信息——野外GPS調查驗證核實——土地變化數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析——GIS土地數(shù)據(jù)庫的更新[7]。采用RS、GPS與GIS相結合的方法調查土地利用變化,既發(fā)揮了RS獲取數(shù)據(jù)速度快、精度高、范圍廣的特點,又發(fā)揮了GPS定位精確、對數(shù)據(jù)管理與分析的優(yōu)勢。在縮短調查時間的同時,保證調查精度,節(jié)省調查費用,而且應用3S一體化技術得到的土地利用專題圖可以很好地把RS的柵格影像與GIS的矢量數(shù)據(jù)結合在一起,可以更加直觀地反映土地利用的變化狀況。

2.3“3S”技術在土地利用規(guī)劃中的應用

土地利用總體規(guī)劃是對一定區(qū)域未來土地利用超前性的計劃和安排,是依據(jù)區(qū)域社會經濟發(fā)展和土地的自然歷史特性在時空上進行土地資源合理分配和土地利用協(xié)調組織的綜合措施。目前,我國已形成了國家級、省級、市(地)級、縣(區(qū))級和鄉(xiāng)(鎮(zhèn))級5個層次較完整的土地利用總體規(guī)劃體系。實時、準確、快速地掌握土地利用動態(tài)變化信息,對于促進土地資源合理利用、規(guī)劃和科學管理,具有十分重要的意義。目前,土地開發(fā)整理的進程日益加快,為了加強土地產權的有效監(jiān)督,實現(xiàn)土地利用現(xiàn)狀跟蹤管理,建立“以圖管地”的土地資源管理新機制尤為重要。但傳統(tǒng)的模擬土地利用現(xiàn)狀圖以及相應的土地管理方法,已無法適應當前信息時代的管理模式及應用需求。而3S技術的出現(xiàn),為其提供了比較完美的解決方案,以GIS技術為核心,以計算機網絡為傳輸載體,使用可視化技術,在建立土地利用總體規(guī)劃信息庫的基礎上,緊密結合土地利用總體規(guī)劃的業(yè)務流程,實現(xiàn)土地利用總體規(guī)劃編制、修改、實施的自動化管理,結束長期以來土地利用總體規(guī)劃成果基本上靠人工管理的存取效率低下、信息形式單一、難以保存質量,易損壞等問題,為土地規(guī)劃的動態(tài)實施和成果管理提供了科學的方法和現(xiàn)代化手段。劉魯軍等對3S技術在土地利用規(guī)劃方面進行了相關的探討,指出了其在土地利用規(guī)劃中的應用內容和價值以及在土地利用規(guī)劃中的發(fā)展前景[8]。

2.4“3S”技術在土地利用數(shù)據(jù)庫建設中的應用

土地利用調查的一個目的就是為了摸清當前土地資源的利用狀況以及土地利用變化情況,作為土地管理工作者和政府職能部門進行土地管理、規(guī)劃等決策的基礎依據(jù)。常規(guī)土地利用調查的內容只有部分成果:土地利用圖、林圖、草地圖供各部門使用,而眾多的信息處于閑置狀態(tài),這些“固定”了的信息在反映土地利用動態(tài)方面存在很大的局限性,導致大量的重復工作,耗費大量的時間、人力和財力[9]。而且隨著調查次數(shù)的增加,各方面的圖件及數(shù)據(jù)也越來越多,為資料和數(shù)據(jù)的科學管理和信息的充分利用都帶來了許多困難。為了改善土地利用調查工作的現(xiàn)狀,減少工作量,提高工作效率和工作精度,實現(xiàn)信息的科學管理和信息共享,快速、準確地為各部門提供所需信息,建立土地利用信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫勢在必行。

通過利用3S技術實施土地利用數(shù)據(jù)庫的建設與更新管理,可有效地保持土地利用現(xiàn)狀調查成果的科學性、現(xiàn)勢性與準確性,實現(xiàn)土地資源管理的科學化。在完成數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建以后,系統(tǒng)就可以自動面積量算、專題圖輸出等工作,系統(tǒng)分析模塊能對土地利用現(xiàn)狀進行統(tǒng)計分析,并對土地利用現(xiàn)狀做出評價及規(guī)劃,為決策部門及時地提供所需信息因此大大減少了土地管理部門及政府職能部門的工作量,提高社會工作的效率[10]。同時,在建立統(tǒng)一標準的數(shù)據(jù)庫的基礎上,方便調查成果的共享,避免重復工作,節(jié)省人力和財力,同時現(xiàn)有調查成果也是今后土地利用變更調查重要的數(shù)據(jù)基礎,可以快速方便地進行疊加分析,得到變更差異成果[11]。我國土地利用數(shù)據(jù)庫建設工作發(fā)展迅速,到2002年底,全國就有近500個縣市開展了土地利用數(shù)據(jù)庫的建設工作,目前大部分已經完成了數(shù)據(jù)的采集和錄入工作。

3發(fā)展趨勢

3.1高光譜遙感

高光譜遙感具有很高的時間和空間分辨率,它與TM、SPOT等波段等相比,可以探測出許多陸地衛(wèi)星不能探測的地物,探測某些具有特殊光譜特征的地物也成為可能,特別是在地質土壤、沿海及內陸水域、覆被調查等方面具有廣闊的應用前景[12]。高光譜傳感技術的出現(xiàn)給基于“3S”技術的精確土地評價與管理提供了質與量的保證。

3.2“3S”集成技術

衛(wèi)星遙感資料具有實時、連續(xù)、準確地反映大范圍地表信息的特點。但在對遙感圖像中的各類別進行分類時,由于“同物異譜”、“同譜異物”的情況時常發(fā)生,影響了圖像中各類別的分類精度。這時,可以在GIS的支持下,補充一些非遙感信息參與分類,以提高分類精度。此外,還可以利用地理信息系統(tǒng)提供的非遙感信息參與遙感信息的各種定性、定量分析,加大信息挖掘的深度,提高遙感信息的適用效率。地理信息系統(tǒng)能夠存儲空間信息和屬性信息,其分析模塊具有強有力的地學分析功能,并能夠最大量地從已有數(shù)據(jù)中獲取感興趣的地理信息。再加上全球定位系統(tǒng),能對地表或空間的物體執(zhí)行定時的精確定位,使“3S”技術有更強的判斷和決策能力。因此,RS是GIS的重要信息源和數(shù)據(jù)更新手段,GIS是遙感信息提取與分析的重要手段,GPS可以提供精確的空間定位,可以說三者的結合是現(xiàn)代土地資源管理的發(fā)展方向。

3.3規(guī)范化

土地資源信息具有數(shù)據(jù)量龐大,數(shù)據(jù)種類繁多,空間定位數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)并存的特點?；A數(shù)據(jù)的輸入和基礎數(shù)據(jù)庫的建立是GIS成本最高的部分,但目前在環(huán)境科學領域3S應用的規(guī)范化研究還沒有引起足夠的重視[13]。比如在地理編碼方面,雖然已經有一些規(guī)范,但是仍未標準化,數(shù)據(jù)和信息采集機構間缺乏公用的通道,造成大量的重復工作和聯(lián)網困難。因此,迫切需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準,實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享,提高數(shù)據(jù)和信息的利用率,為數(shù)據(jù)的及時、快速、動態(tài)獲取和及時更新奠定基礎[14]。

3.4網絡化

網絡化是信息社會化的必由之路,隨著計算機網絡技術的普及和推廣,土地管理信息化進程也不斷加快,如何利用“3S”技術以及計算機通信網絡技術,有效組織和管理各類土地信息,方便信息的獲取、存儲和管理,實現(xiàn)對土地利用進行有效的監(jiān)測、分析和評價,為土地管理提供客觀、全面、及時、準確的信息服務和技術支撐,已成為土地管理信息化建設的主要目標[15]。隨著Internet的普及和WebGIS的發(fā)展,利用地理信息系統(tǒng)將復雜屬性數(shù)據(jù)與其空間數(shù)據(jù)歸于同一空間坐標系中,統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準,在網上實現(xiàn)各種信息、數(shù)據(jù)資源的集中管理、更新和共享,加強部門內部、部門之間及社會的聯(lián)系交流,降低管理工作的成本,提高效率,對推進土地資源管理工作的現(xiàn)代化意義重大。

3.5智能化

智能化是信息化管理的未來發(fā)展趨勢,其主要內容是要在數(shù)據(jù)采集、信息提取、制圖等方面提高智能程度,減少人工處理量。專家系統(tǒng)是模擬人的思維推理過程,利用大量專門知識解決各特定領域中的實際問題的計算機系統(tǒng),它利用智能模型以定性分析的方式輔助決策,是人工智能領域的重要組成部分。但目前專家系統(tǒng)還處于環(huán)境科學研究水平,尚未達到實用階段[15]。新一代土地資源管理決策支持系統(tǒng)應該是一個多種技術綜合集成的系統(tǒng),將專家群體、數(shù)據(jù)和各種信息與計算機技術有機地結合起來,把土地資源科學與人的經驗知識結合起來,以高度智能化集成為目標,具有較高的解決專業(yè)問題的能力和決策水平,在空間數(shù)據(jù)庫和知識庫的基礎上,對土地資源的開發(fā)進行模擬分析,對土地資源進行科學管理和規(guī)劃,以期提高土地資源的智能化管理水平。

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